Klassifizierung von Lithiumbatterieausfällen und Ausfallursache

Vor dem Hintergrund der Energiekrise und der Umweltverschmutzung Lithium-Ionen-Batterien als ideale Energiequelle für die Entwicklung im 21. Jahrhundert, haben immer mehr Aufmerksamkeit erhalten. Bei der Herstellung, dem Transport und der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien können jedoch einige Fehlerphänomene auftreten. Darüber hinaus beeinträchtigt der Ausfall einer einzelnen Batterie die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Batteriepakets und kann sogar dazu führen, dass das Batteriepaket nicht mehr funktioniert oder andere Sicherheitsprobleme auftreten.

In den letzten Jahren kam es im In- und Ausland zu zahlreichen Brand- und Explosionsunfällen im Zusammenhang mit Batterien: der Brand des Elektroautos Tesla Model S in den USA, der Brandunfall mit der Batterie des Mobiltelefons Samsung Note7, der Brand in der Elektronikfabrik Forte in Wuhan, der Brand in der Fabrik von Samsung SDI in Tianjin usw.

1. Klassifizierung von Lithiumbatterie Versagen

Um die oben genannten Leistungseinbußen und Batteriesicherheitsprobleme zu vermeiden, ist es unbedingt erforderlich, eine Lithiumbatterie-Fehleranalyse durchzuführen. Ein Lithiumbatteriefehler bezieht sich auf die Verschlechterung der Batterieleistung oder eine abnormale Nutzungsleistung, die durch bestimmte wesentliche Gründe verursacht wird, und wird in Leistungsfehler und Sicherheitsfehler unterteilt.

Zu den Leistungsausfällen zählen Kapazitätsverlust, Verkürzung der Zyklenlebensdauer, anormale Spannung, anormaler Strom, übermäßiger Innenwiderstand, Selbstentladung, Alterung durch hohe und niedrige Temperaturen, schlechte Ratenleistung und mangelnde Konsistenz.

Zu den Sicherheitsmängeln zählen thermisches Durchgehen, Kurzschluss, Flüssigkeitsleckage, Blähungen, Lithiumentwicklung, Verformung durch Ausdehnung und Punktion (Quetschung).

2. Gründe für den Ausfall von Lithiumbatterien

Die Gründe für den Ausfall von Lithiumbatterien können in interne und externe Ursachen unterteilt werden.

Die interne Ursache bezieht sich hauptsächlich auf die Art der physikalischen und chemischen Veränderungen des Versagens. Der Forschungsmaßstab kann auf die atomare und molekulare Ebene zurückgeführt werden, um die thermodynamischen und dynamischen Veränderungen des Versagensprozesses zu untersuchen.

Zu den äußeren Faktoren zählen Stöße, Akupunktur, Korrosion, Verbrennung bei hohen Temperaturen, vom Menschen verursachte Schäden und andere äußere Faktoren.

3. Häufige Fehlerverhaltens- und Fehlermechanismusanalyse von Lithiumbatterien

Kapazitätsschwundfehler

„Beim Standard-Lebensdauertest sollte die Entladekapazität nicht weniger als 90% der Anfangskapazität betragen, wenn die Anzahl der Zyklen 500 erreicht. Oder die Entladekapazität sollte nicht weniger als 80% der Anfangskapazität betragen, wenn die Anzahl der Zyklen Wenn es innerhalb des Standardzyklusbereichs liegt, ist das Phänomen eines starken Kapazitätsabfalls ein Fehler bei der Kapazitätsdämpfung.

Die Grundursache Batteriekapazität Zerfallsfehler sind Materialfehler und hängen eng mit objektiven Faktoren wie dem Herstellungsprozess der Batterie und der Nutzungsumgebung der Batterie zusammen. Aus materieller Sicht sind die Hauptgründe für den Fehler der strukturelle Fehler des positiven Elektrodenmaterials, das vorübergehende Wachstum von SEI auf der negativen Elektrodenoberfläche, die Zersetzung und Verschlechterung des Elektrolyten, die Korrosion des Stromkollektors und die Spurenverunreinigungen des Systems.

Strukturelles Versagen des positiven Elektrodenmaterials: Zu den strukturellen Fehlern des positiven Elektrodenmaterials gehören das Zerdrücken von Partikeln des positiven Elektrodenmaterials, irreversible Phasenübergänge, Materialstörungen usw. Während des Lade- und Entladevorgangs von LiMn2O4 wird die Struktur von LiMn2O4 aufgrund des Jahn-Teller-Effekts verzerrt, und die Partikel können sogar brechen, wodurch der elektrische Kontakt zwischen den Partikeln versagt. Das Material LiMn1,5Ni0,5O4 durchläuft während des Lade- und Entladevorgangs einen Phasenübergang „tetragonal-kubisches Kristallsystem“. Das Material LiCoO2 gelangt aufgrund des Übergangs von Li während des Lade- und Entladevorgangs in die Li-Schicht. Entladevorgang, wodurch die Schichtstruktur chaotisch wird. , wodurch die Kapazität eingeschränkt wird.

Anodenmaterialversagen: Das Versagen der Graphitelektrode tritt hauptsächlich auf der Graphitoberfläche auf. Die Graphitoberfläche reagiert mit dem Elektrolyten und bildet die feste Elektrolytgrenzflächenphase (SEI). Wenn übermäßiges Wachstum zu einer Abnahme der Lithium Ionengehalt im internen System der Batterie, führt dies zu einem Kapazitätsverlust. Das Versagen von Siliziumanodenmaterialien ist hauptsächlich auf die Zyklusleistungsprobleme zurückzuführen, die durch ihre enorme Volumenausdehnung verursacht werden.

Elektrolytversagen: LiPF6 hat eine schlechte Stabilität und zersetzt sich leicht, wodurch die Menge an migrierendem Li+ im Elektrolyten reduziert wird. Es reagiert außerdem leicht mit Spuren von Wasser im Elektrolyten und erzeugt HF, was zu Korrosion im Inneren der Batterie führt. Eine schlechte Luftdichtigkeit führt zur Verschlechterung des Elektrolyten und zur Veränderung der Viskosität und Farbskala des Elektrolyten, was letztendlich zu einem starken Rückgang der Ionentransportleistung führt.

Der Ausfall des Stromkollektors: Der Stromkollektor korrodiert und die Haftung des Stromkollektors nimmt ab. Die durch den Ausfall des Elektrolyten erzeugte HF korrodiert den Stromkollektor und erzeugt Verbindungen mit schlechter Leitfähigkeit, was zu erhöhtem ohmschen Kontakt oder zum Ausfall des aktiven Materials führt. Während des Lade- und Entladevorgangs wird die Cu-Folie bei niedrigem Potential aufgelöst und auf der Oberfläche der positiven Elektrode abgelagert, was als „Kupferniederschlag“ bezeichnet wird. Die häufigste Form des Stromkollektorausfalls besteht darin, dass die Bindungskraft zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material unzureichend ist, was dazu führt, dass sich das aktive Material ablöst und keine Kapazität für die Batterie bereitstellen kann.

Erhöhter innerer Widerstand

Der Anstieg des Innenwiderstands von Lithiumbatterien geht mit Ausfallproblemen einher, wie z. B. einer Verringerung der Energiedichte, einer Verringerung von Spannung und Leistung sowie einer Wärmeentwicklung der Batterie. Die Hauptfaktoren, die zur Erhöhung des Innenwiderstands von Lithium-Ionen-Batterien führen, sind in wichtige Batteriematerialien und die Batterienutzungsumgebung unterteilt.

Wichtige Batteriematerialien: Mikrorisse und Brüche im Material der positiven Elektrode, Zerstörung des Materials der negativen Elektrode und übermäßige SEI an der Oberfläche, Alterung des Elektrolyten, Trennung von aktivem Material und Stromkollektor, Verschlechterung des Kontakts zwischen aktivem Material und leitfähigen Additiven (einschließlich Verlust von leitfähigen Additiven), verstopftes Schrumpfloch der Membran, abnormales Schweißen der Batterielasche usw.

Umgebung der Batterienutzung: zu hohe/zu niedrige Umgebungstemperatur, Überladung und Überentladung, hohe Lade- und Entladerate, Herstellungsprozess und Designstruktur der Batterie usw.

Interner Kurzschluss

Interne Kurzschlüsse führen häufig zur Selbstentladung, Kapazitätsminderung, lokalem thermischen Durchgehen und Sicherheitsunfällen bei Lithium-Ionen-Batterien.

Kurzschluss zwischen Kupfer-/Aluminium-Stromkollektoren: Unbearbeitete metallische Fremdkörper durchbohren während der Herstellung oder Verwendung der Batterie die Membran oder Elektrode, und die Verschiebung der Polstücke oder Laschen im Batteriegehäuse führt zum Kontakt zwischen den positiven und negativen Stromkollektoren.

Kurzschluss durch Membranversagen: Membranalterung, Membrankollaps, Membrankorrosion usw. führen zum Versagen der Membran. Die defekte Membran verliert ihre elektrische Isolierung oder der Spalt zwischen den positiven und negativen Elektroden wird zu Mikrokontakt. Dann kommt es zu starker lokaler Erwärmung und fortgesetztes Laden und Entladen breitet sich auf die Umgebung aus, was zu einem thermischen Durchgehen führt.

Verunreinigungen verursachen Kurzschlüsse: Wenn Übergangsmetallverunreinigungen im Schlamm der positiven Elektrode nicht entfernt werden, kann dies zum Durchstechen des Separators führen oder die Bildung von Lithiumdendriten an der negativen Elektrode fördern, was zu internen Kurzschlüssen führt.

Kurzschluss durch Lithium-Dendriten: Lithium Während des langen Zyklus treten an Stellen mit ungleichmäßiger lokaler Ladung Dendriten auf und durchdringen die Membran, wo sie interne Kurzschlüsse verursachen.

Während des Batteriedesigns und der Batterieherstellung oder der Batteriepackmontage können unangemessenes Design oder übermäßiger lokaler Druck ebenfalls zu internen Kurzschlüssen führen. Interne Kurzschlüsse treten auch bei Überschwingen und Überentladung der Batterie auf.

Gasproduktion

Während des Batterieformierungsprozesses ist das Gasbildungsphänomen, das auftritt, wenn der Elektrolyt verbraucht wird, um einen stabilen SEI-Film zu bilden, eine normale Gasbildung, aber das Phänomen des übermäßigen Verbrauchs von Elektrolyt und der Sauerstofffreisetzung aus dem Kathodenmaterial ist eine abnormale Gasbildung. Es tritt häufig bei Softpack-Batterien auf, was dazu führt, dass der Innendruck der Batterie zu groß wird und sich verformt, die Aluminiumfolie der Verpackung reißt und es zu Problemen mit dem internen Kontakt der Batterie kommt.

Spuren von Feuchtigkeit im Elektrolyten oder Elektrodenaktivmaterial wird nicht getrocknet, wodurch das Lithiumsalz im Elektrolyt zerfällt und HF entsteht, der Stromkollektor Al korrodiert, das Bindemittel zerstört und Wasserstoff entsteht. Die elektrochemische Zersetzung von Ketten-/zyklischen Estern oder Ethern im Elektrolyt, die durch einen falschen Spannungsbereich verursacht wird, erzeugt C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, CO2 usw.

Thermisches Durchgehen

Unter thermischem Durchgehen versteht man den schnellen Anstieg der Innen- oder Gesamttemperatur des Lithium-Ionen-Akku, und die Wärme kann nicht rechtzeitig abgeführt werden, und eine große Menge davon sammelt sich im Inneren und verursacht weitere Nebenreaktionen. Die Faktoren, die zum thermischen Durchgehen von Lithiumbatterien führen, sind abnormale Betriebsbedingungen wie Missbrauch, Kurzschluss, hohe Vergrößerung, hohe Temperatur, Extrusion und Akupunktur.

Lithium

Lithiumfällung ist die Ablagerung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode der Batterie, was ein häufiges Phänomen bei Alterung und Ausfall von Lithiumbatterien ist. Die Lithiumentwicklung reduziert die aktiven Lithiumionen in der Batterie, was zu Kapazitätsverlusten und zur Bildung von Dendriten führt, die die Membran durchbohren, was zu übermäßiger lokaler Strom- und Wärmeentwicklung und letztendlich zu Sicherheitsproblemen der Batterie führt.